L’art de la méthylation

En quoi consiste la méthylation de l’ADN ? A quel moment ce phénomène intervient-il ?

Il s’agit de modifications chimiques qui interviennent pour réguler l’expression des gènes sans modifier la séquence d’ADN. Des groupements dits « méthyles » se positionnent sur l’ADN, ce qui modifie la façon dont la cellule va lire le génome. La méthylation de l’ADN éteint les gènes, de manière stable mais potentiellement réversible. On parle de marques épigénétiques. La méthylation de l’ADN joue un rôle crucial au début du développement notamment, alors que l’embryon va former tous les types cellulaires. On sait aussi que les cellules tumorales ont souvent des profils de méthylation aberrants, en relation avec leur identité cellulaire anormale.

Dans mon équipe, nous étudions comment les parents transmettent via leurs gamètes non seulement leur patrimoine génétique mais aussi une information épigénétique qui va influencer le programme d’expression des gènes de leur descendance et, en conséquence, leur physiologie. Des perturbations de cette mémoire épigénétique parentale ont des conséquences pathologiques graves sur le développement et la viabilité.

En quoi consistent vos deux dernières découvertes ?

Nos résultats illustrent l’importance de la méthylation de l’ADN à deux moments distincts de la reproduction: dans les spermatozoïdes pour la publication dans Science, soit en en amont de la fécondation, et en aval pour ce qui concerne la publication dans Nature Genetics, soit dans l’embryon très précoce.

On pensait que toutes les enzymes contrôlant la méthylation de l’ADN, à savoir 4, avaient été identifiées à ce jour chez les mammifères. Chacune de ces enzymes est essentielle en soi, comme le montrent les pathologies résultant de mutations dans les ADN méthyltransférases, chez la souris ou chez l’homme.  De manière fortuite, suite à l’apparition spontanée d’une mutation dans une colonie de souris, nous venons de mettre au jour une nouvelle méthyltransférase, DNMT3C, en collaboration avec Florian Guillou, de l’Inra de Tours, et Yann Hérault, de l’IGBMC de Strasbourg (CNRS/Inserm). Le niveau de spécialisation de DNMT3C est très surprenant : elle n’agit qu’au cours de la spermatogenèse fœtale, elle ne méthyle que les transposons et reconnaît sélectivement les plus actifs et donc potentiellement les plus dangereux. Les transposons sont des sortes de séquences parasites endogènes à notre génome, dont l’activité peut entraîner des réarrangements « risqués » et ainsi altérer le matériel héréditaire.

En absence de DNMT3C, la vie des souris n’est pas perturbée, mais sans méthylation les transposons sont massivement réactivés au cours de la spermatogenèse : aucun spermatozoïde n’est produit et les souris mâles sont complètement stériles. Nos travaux révèlent que DNMT3C est un garant indispensable de la fertilité.

Autre surprise : DNMT3C est une innovation spécifique aux rongeurs, qui serait apparue il y a quelque 46 millions d’années. Nous voulons désormais comprendre pourquoi cette enzyme est si spécialisée et quels mécanismes alternatifs existent chez les humains, qui n’ont pas DNMT3C, pour bloquer l’action des transposons dans les spermatozoïdes. Cette découverte pose en outre une question majeure en termes de santé publique. Comment extrapoler des études concernant la reproduction réalisées sur des rongeurs, comme par exemple les effets délétères des perturbateurs endocriniens, sachant que les mécanismes épigénétiques de régulation de la fertilité présentent des différences non négligeables, notamment sous la gouverne ou non de DNMT3C.

Notre deuxième découverte met en avant la fonction à long terme d’une empreinte parentale transitoire, un phénomène que nous avions précédemment mis à jour mais sans idée de son rôle physiologique.

Qu’est que l’empreinte parentale ?

Au moment de la fécondation, l’ovocyte et le spermatozoïde présentent des profils de méthylation drastiquement différents chez les mammifères, ce qui crée une asymétrie de méthylation sur les chromosomes paternels et maternels dans l’embryon nouvellement formé. Lors des premiers jours de développement, ces profils de méthylation parentaux sont reprogrammés. Toutefois, une poignée de gènes gardent en mémoire cette asymétrie parentale de méthylation tout au long de la vie, ce qui conduit à leur expression à partir d’une seule copie chromosomique. Bien que peu nombreux (environ une centaine), les gènes soumis à empreinte ont un rôle déterminant sur le développement fœtal, neuronal et métabolique.

Or nous avons identifié une nouvelle forme d’empreinte parentale atypique car transitoire : elle n’est maintenue que pendant les tous premiers jours du développement après la fécondation (4 chez les rongeurs, 7 chez l’homme), puis elle disparaît. En étudiant chez la souris le gène Zdbf2, nous avons montré que l’empreinte transitoire de ce gène, bien que labile, programme de manière indélébile la taille des individus. Elle enclenche une sorte d’interrupteur, qui agira bien plus tard sur l’axe hypothalamo-hypophysaire, qui est au centre de multiples voies de régulation hormonale dont celle de l’hormone de croissance. Les embryons qui n’ont pas cette empreinte transitoire se développent tout à fait normalement, mais après la naissance, les souris ont une croissance retardée et restent plus petites tout au long de leur vie. Il s’agit d’un des rares exemples de programmation épigénétique précoce, dans l’embryon, de traits qui apparaîtront plus tard, à l’âge adulte. Nous cherchons à savoir maintenant si l’empreinte transitoire de Zdbf2 pourrait avoir également un rôle sur la détermination de la taille chez l’homme. Certains facteurs externes, tels que l’alimentation de la mère ou les procédures d’assistance médicale à la procréation, pourraient notamment perturber ce programme précoce.